改良水泥砂浆内壁防腐技术

杨双春，梁玉业，康超男，潘 一*，艾 军

（1. 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001； 2. 亿方工业公司，辽宁 辽阳 111000）

管道多用于石油等领域,每年由于管道内壁的腐蚀造成了严重的经济损失，因此消耗了大量的人力与物力。管道内壁防腐技术受到国内外的关注，水泥砂浆衬里多用于管道内壁的防腐。水泥砂浆衬里具有投资低廉、施工简单、防腐性能可靠等特点[1]。80年代普通水泥砂浆用于管道内壁的防腐，但由于设备的简单，衬里材料的单一性及技术的限制未得到广泛的应用；现今，各种改良水泥砂浆的出现，施工设备及施工工艺的技术不断成熟，以往水泥砂浆的不足之处得到了很好的改善。增强了涂敷效果，具有使用年限久等特点，使得管道内壁的防腐效果得到了显著的提高。随着技术的不断完善，更多的改良水泥砂浆将用于管道内壁的防腐。

1 管道内壁腐蚀的原因

由于输油管道在输送油品的过程中，油品中含有大量的金属离子、水、气体及一些盐类化合物等，因此造成管道内壁腐蚀的主要因素有金属腐蚀和输油管道的水腐蚀。其中金属腐蚀为化学腐蚀和电化学腐蚀两种。油品中含有氧化剂，其与金属反应造成金属的化学反应从而管道内壁得以腐蚀；管道内壁的主要腐蚀是由于油品中含有大量的金属离子，这些金属离子在溶有氧气的电解质水中，各点呈现的电位不同因而发生了电化学腐蚀[2]。输油管中的水腐蚀是输油管的水中含有大量的溶解盐类，其中主要成分氯化物对管道内壁造成的腐蚀较为严重；另一类输油管道水腐蚀为输油管道中的水中含有O2、CO2、H2S等气体。管道中的CO2气体与水发生反应生成碳酸腐蚀管道；油品中的H2S浓度不同，其发生的电化学腐蚀管道的程度也有所不同[3]。

2 水泥砂浆衬里的原理及优缺点

2.1 水泥砂浆衬里的原理

水泥砂浆衬里的原理比较独特，它不像其他防腐技术仅仅把输送介质和管壁隔开，它具有渗透性和可愈性。当管道输送具有腐蚀性的水或含水油品时，砂浆衬里被水浸透，进而浸透整个管道内壁。水在浸透整个衬里的同时，同样吸收水泥砂浆衬里中的Ca(OH)2将管道内壁附近的pH值增加升高到大于12的水平。在此pH值的条件下，管道内壁形成一层保护膜而不被腐蚀。它的自愈性确保了水泥砂浆在运输、安装过程中，由于操作不慎造成的裂痕在输送含有水的油品中,衬里的二次水化作用能够自行复原和愈合。这就体现了水泥砂浆的整体性，能够长久使用[4]。

2.2 水泥砂浆衬里存在的优缺点

2.2.1 水泥砂浆被普遍采用存在的优点

（1）热膨胀系数与钢铁接近，因此涂敷容易，粘结性好；

（2）使用寿命长，经济损耗少；

（3）属于无机材料、无毒，因此使用安全可靠；

（4）具有亲水性，从而涂敷条件简单，常温下即可作业；

（5）材料便宜、使用方便。

2.2.2 水泥砂浆作为内防腐材料存在的缺点

（1）有脱落、剥皮等可能；

（2）运输、施工作业过程中易造成裂缝；

（3）涂层厚，输送油品量减少且耗费大量人力与物力；

（4）砂浆具有渗水性，长期使用不易于维修与破坏；

（5）一般适于大口径管道施工而小口径管道施工作业困难。

由于普通水泥砂浆衬里存在着这些缺点，国内外各种改良水泥砂浆的出现与广泛使用弥补了以往普通水泥砂浆存在的不足之处。提高了涂敷质量与防腐效果[5]。

3 水泥砂浆衬里的施工工艺要求及施工方法

3.1 水泥砂浆内衬防腐施工工艺要求

（1）根据 API度的标准要对管道的笔直度、圆度、内壁有无沙眼和外观等方面进行检查；

（2）对管内进行清洗；管道内壁中不应有油漆、油污、润滑剂等不利于涂敷作业的物质,同时也应该清除管道内的铁锈及其他腐蚀性物质；

（3）配制水泥砂浆的水泥、沙子、水必须经过检查,达到要求后才能使用[6]；

（4）通过蒸汽法、另加保护层或自然养护的方法对涂敷好的管道衬里进行养护；

（5）进行管端修理及管端抛光，便于管道间的连接安装。

3.2 水泥砂浆衬里的施工方法

由于工厂与现场的使用设备与施工作业难度等方面的影响，水泥砂浆衬里因而采用不同的施工方法。工厂施工主要采用喷涂法、离心法和喷涂与离心相结合的方法；喷涂法是国内外使用较多的方法之一，其原理为喷涂机在管道内运行的过程中将喷出的水泥砂浆通过拉式抹平器抹平，再喷涂上一层固化保护液有利于衬里的固化[7]；离心法则是利用离心力的原理将砂浆涂敷在管道内壁上；国外成熟的技术喷涂与离心相结合的方法以喷涂法和离心法为基础，取其之长，避其之短，使水泥砂浆衬里施工技术又向前发展了一大步；对于现场的施工，因为所处环境不同，应力求施工方便、快捷，操作技术及设备简单，常采用的施工方法是拖拉发和风送法；拖拉法是国外使用较早的施工方法，主要涂敷原理是利用一个弹头状的抹平装置将送入管道内的砂浆抹平；风送法利用压缩空气的推动力将两个活塞间的砂浆挤涂在管道内壁上；二者施工方法被广泛采用，加强了施工的效率，同时也大大的减少了经济能耗[8]。

4 国内外各种改良水泥砂浆衬里

4.1 环氧树脂水泥砂浆衬里

环氧树脂是一类含有环氧基的热塑性线型高分子化合物, 由环氧氯丙烷与二酚基丙烷(亦称双酚A), 在氢氧化钠催化下制得。还可由其它多元醇、多元酚或多元胺与环氧氯丙烷合成非双酚A型环氧树脂。以及由过醋酸环氧化脂环烯烃制得脂环族环氧树脂[9]。

在管道内壁防腐中环氧树脂水性涂料应用广泛,它主要用在管道内壁与水泥砂浆间的涂层。由于在环氧树脂的分子结构中有很多极性很强的羟基、醚基及环氧基，所以它与相邻界面的分子间有很强的作用力，克服了普通水泥砂浆粘结不牢易于脱落的缺点。水性环氧树脂涂料具有涂层薄、韧性好、流动性好、耐磨、耐高温等特性[10]，因此它在使用过程中大大避免了管道安装及油温等条件的影响，并且占用管道内径小，使用寿命长，绿色环保[11]。

环氧树脂水泥砂浆衬里是在普通水泥砂浆原有特性的基础上添加环氧树脂成分，使其增添了环氧树脂的优良特性。环氧树脂水泥砂浆衬里薄，达到了轻量化并且减少了运输费用；衬里薄的特点更加适宜于小口径管道的涂敷作业；由于具有环氧树脂的耐热、耐磨、耐高温的特性，环氧树脂水泥砂浆衬里不但适用于输油管道同样适用于蒸汽管线[12]。

4.2 高铝水泥砂浆衬里

高铝水泥是一种胶结材料,具有很好的抗硫性,是国内外很好的管道内壁衬里材料。其高铝水泥砂浆衬里不但具有抗硫性，还具有以下特性[13]：

（1）具有凝固时间短，在短时间内可达到强硬；

（2）在极低的温度下也可达到强硬，在高温条件下，具有热变形小并且能够保持原有的强度；

（3）在输送流体的过程中，保证了衬里的抗冲刷性；

（4）耐高温，输送较高温度油品时，衬里结构不发生改变。

4.2.1 衬里的配比

高铝水泥的主要成分是：40%的 Al2O3，36%的CaO，及少量的铁、硅等。高铝水泥含有一定量的氧化钙和氧化铝,它们可反应生成铝酸钙而凝结硬化，因此水泥的用量多少直接影响着衬里的强度。高铝水泥砂浆衬里常使用的施工方法是离心法及喷涂法，要求：水／水泥＝0.3，沙／水泥＝4.1，配比过程中要合理地控制水用量，过度的水含量使衬里出现空隙导致衬里强度下降。高铝水泥的水化物成分为：双铝酸钙、单铝酸钙、氧化铝胶。其水化物中大部分是起保护作用的氧化铝胶，所以高铝水泥砂浆衬里能够抵抗酸性和硫的侵蚀，即使在 Ph为3.5～4.0的条件下，衬里中的铝酸也不会溶解，衬里的使用寿命可达25～30年以上[14]。

4.2.2 衬里的施工要点

1）材料检验

材料的性能及质量对衬里的施工及防腐作用有着直接的影响，故需施工前的检验。

（1）胶结材（高铝水泥）

高铝水泥与普通水泥不同，其具有水化速度快，容易失效的特点，因此要合理地保管好高铝水泥，在使用前要进行检验是否结块出现失效的现象。

施工前要做配比试验，合理地配比能够保障涂敷及防腐达到最佳效果。

（2）掺合料（矾土）

掺合料可以减少水泥的用量，保证衬里有良好的合易性，增强防腐效果。

① 氧化铝(Al2O3)的含量不小于55%；

② 氧化铁(Fe2O3)的含量不得大于3%。

2）施工的方法

为了提高衬里的强度及其他性能，应尽量减少水灰比。手工涂敷需要的水量要比机械作业需要的水量多，且机械搅拌更能使搅拌均匀，因此应尽量采用机械涂敷作业。

3）施工养护条件

衬里的养护是一个不容忽视的重要环节，养护条件的不同决定着衬里的强度及日后的使用寿命。一般养护需要在 24 h内完成，养护的最佳温度为15～25 ℃，湿度90%以上，通常在初凝后24～48 h内进行淋水湿养。

5 结 论

水泥砂浆衬里是管道内壁防腐的主要技术措施,水泥砂浆衬里的施工简单性、耐腐蚀性及经济性越来越受到国内外在管道内壁防腐上的使用。我国是经济大国，因此在各种改良水泥砂浆防腐技术方面还需要做出更多的研究与使用，减少因腐蚀造成的严重经济损失。一方面要以国外为参考背景的条件下研制出新的防腐添加剂，做出最佳的添加剂与水泥砂浆的配比，使防腐效果更加显著，使用期限更加长久；另一方面需要完善各种施工设备，使施工设备更加轻量化，技术先进化，克服小口径管道施工困难的不足，减少施工所需的不便条件。提高各种养护条件，防止涂敷完的水泥砂浆衬里因养护条件不利造成脱落、剥皮的现象；加强运输与施工管理制度，防止因运输或者安装不当造成裂痕等问题，影响后期运输油品的防腐效果。随着科学技术的不断发展及各族人民的不断努力，我相信，不久我国在改良水泥砂浆衬里的发展将会取得重大的突破，达到世界领先水平。

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